1、盾構(gòu)技術(shù)系列專題講座-刀盤和驅(qū)動一、基本概念及結(jié)構(gòu)二、刀盤及驅(qū)動載荷分析三、設(shè)計實例米土壓平衡盾構(gòu)四、盾構(gòu)發(fā)展趨勢目 錄通過土壓作用于開挖面以平衡開挖面的水土壓力。通過螺旋輸送機排放渣土。土壓平衡、土介質(zhì)和設(shè)備的要求 1.1 土壓平衡盾構(gòu)機一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu) 1.2 泥水平衡盾構(gòu)機通過泥膜的張力保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。開挖的渣土以泥漿形式輸送到地面，經(jīng)過分離再循環(huán)至開挖面。一、基本概念及結(jié)構(gòu) 1.2 泥水平衡盾構(gòu) 泥水平衡盾構(gòu)通過配置不同的刀盤類型，可以兼顧軟土地層和復(fù)合地層隧道施工，主要應(yīng)用在富水地層、透水系數(shù)高的砂、卵石層等。 一、基本概念及結(jié)構(gòu)一

2、、基本概念及結(jié)構(gòu)1.3 刀盤及刀盤驅(qū)動 是盾構(gòu)機的核心和關(guān)鍵盾構(gòu)機的適應(yīng)性，很大程度上取決于刀盤和驅(qū)動的設(shè)計一、基本概念及結(jié)構(gòu)1.3.1 刀盤形式及結(jié)構(gòu) 一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu) 驅(qū)動系統(tǒng)一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu)主驅(qū)動-馬達一、基本概念及結(jié)構(gòu)主 軸 承一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu)一、基本概念及結(jié)構(gòu)1.4 實際中，刀盤存在哪些問題呢？土倉中心泥餅面板泥餅?zāi)囡炓弧⒒靖拍罴敖Y(jié)構(gòu)刀盤中心泥餅一、基本概念及結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的盤面泥餅一、基本概念及結(jié)構(gòu)1.4.2 刀盤刀具失效刀盤斷裂等一、基本概念及結(jié)構(gòu) 1.4.3 刀盤刀具失效磨損、偏磨、斷裂

3、一、基本概念及結(jié)構(gòu) 1.4.3 刀盤刀具失效一、基本概念及結(jié)構(gòu)軸承失效模式：破損或是滾道劃出溝槽，疲勞點蝕磨損或是軸承保持架破損，滾子損壞，壓坑/震蝕 1.4.3 刀盤刀具失效軸承一、基本概念及結(jié)構(gòu)二、刀盤及驅(qū)動載荷分析2.1 刀盤設(shè)計解決的問題 刀盤主要具有開挖、穩(wěn)定掌子面、攪拌碴土等三大功能。 刀盤結(jié)構(gòu)形式有面板式和輻條式兩種，具體應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)施工條件和土質(zhì)條件等因素決定。 泥水盾構(gòu)采用面板式刀盤；土壓平衡盾構(gòu)根據(jù)土質(zhì)條件可采用面板式或輻條式。27 面板式刀盤與輻條式刀盤比較輻條式刀盤對砂、土等單一軟土地層的適應(yīng)性比面板式刀盤較強；但由于不能安裝滾刀，在風(fēng)化巖及軟硬不均地層或硬巖地層，宜采

4、用面板式刀盤。二、刀盤及驅(qū)動載荷分析28 軟土型土壓平衡盾構(gòu)機 主要用于軟土、砂土、雜填土、粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉土、交雜少量礫石等地層，如北京。 對于土壓平衡盾構(gòu)，采用面板式刀盤時，由于泥土流經(jīng)刀盤面板的開口進入土倉，盾構(gòu)掘進時土倉內(nèi)的土壓力與開挖面的土壓力之間產(chǎn)生壓力降，且壓力降的大小受面板刀開口的影響不易確定，從而使得開挖面的土壓力不易控制。二、刀盤及驅(qū)動載荷分析2.2 刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計（1）開口率 ：是刀盤面板開口部分的面積與刀盤面積的比值，刀盤切削 來的碴土通過刀盤的開口槽流往土倉。刀盤的開口必須根據(jù)地質(zhì)條件、開挖面的穩(wěn)定性和挖掘效率來決定其形狀、尺寸、配置。對于泥水

5、盾構(gòu)，刀盤的開口率一般取1030；士壓平衡盾構(gòu)開口率范圍較寬。對于高粘附性土質(zhì)，宜加大開口率；刀盤開口位置應(yīng)盡量靠近刀盤中心，以防止碴土在刀盤的中心部位流動不暢而形成泥餅。二、刀盤及驅(qū)動載荷分析（2） 泡沫管的布置 土壓平衡盾構(gòu)主要適用于粘稠土壤的施工，當(dāng)含砂量超過某一限度時，泥土的塑流性明顯變差，土倉內(nèi)的土體因固結(jié)作用而被壓密，導(dǎo)致碴土難以排送。此時可向土倉內(nèi)注水或泡沫、膨潤土等，然后進行強制攪拌，使流塑化。泡沫除具有改善井挖土體的塑流性外，還具有潤滑刀盤、刀具、螺旋輸送機，降低刀盤扭矩，保持開挖面穩(wěn)定，提高開挖土體的止水性的作用。二、刀盤及驅(qū)動載荷分析刀盤倒角及邊滾刀的布置 刀盤切削直徑最

6、終由安裝在刀盤外周上的刀具來實現(xiàn)。在軟土地層掘進時，由周邊刮刀實現(xiàn)；在硬巖地層掘進時，由邊滾刀來實現(xiàn)。邊滾刀的徑向與刀盤的面板需成一定的角度，刀盤形狀在邊緣處需傾斜一定的角度，從而形成刀盤倒角。在刀盤切削過程中，由于邊滾刀靠近刀盤的邊緣，其旋轉(zhuǎn)速度比靠近中心部位的滾刀要快，且切削巖層的直線距離較長，因此邊滾刀的磨損量大于中心滾刀和正滾刀，在設(shè)計時應(yīng)增加邊滾刀的布置數(shù)量。（4）攪拌棒 在刀盤的背面設(shè)計攪拌棒，對于土壓平衡盾構(gòu)可通過攪拌改善土倉內(nèi)切削土體的塑流性，對于泥水盾構(gòu)，則可通過攪拌改善泥漿的均勻性。攪拌棒一般伸出刀盤后端面約700mm。（5）耐磨設(shè)計 通過采用適宜的材料與合理的工藝來提高

7、刀盤及刀具的耐磨性：二、刀盤及驅(qū)動載荷分析2.3 刀具種類及應(yīng)用特點(1) 切刀(2) 滾刀 (3) 先行刀 (4) 中心（魚尾）刀 (5) 超挖刀（或仿形）刀 二、刀盤及驅(qū)動載荷分析刀具布置 刀盤的結(jié)構(gòu)既要考慮刀盤的開挖性能，又要考慮碴土的流動性及掌子面的穩(wěn)定性。碴土的流動性取決于刀盤的開口槽與結(jié)構(gòu)形狀以及配置碴土改良材料的注人口及刀盤背面攪拌棒。刀盤開挖性能主要通過刀具的選擇和布置來保證。刀具的布置方式需要充分考慮工程地質(zhì)情況，進行針對性設(shè)計，不同的工程地質(zhì)特點，采用不同的刀具配置方案，以獲得良好二、刀盤及驅(qū)動載荷分析二、刀盤及驅(qū)動載荷分析二、刀盤及驅(qū)動載荷分析2.4 刀盤上推力構(gòu)成F =

8、A (F1 +F2 +F3 +F4 +Fs +F6) A一一安全系數(shù); F1 一一盾殼摩擦系數(shù); F2一一刀盤正面推進阻力; F3一一管片與盾尾的摩阻力; F4一一切口環(huán)貫人地層阻力; F5 一一變向阻力; F6 -后配套臺車牽引阻力。2.5 刀盤扭矩計算原理T=T1+T2+T3+T4+T5+T6式中：T1土砂切削阻力的扭矩 （kN-m） T2刀盤前方的摩擦阻力的扭矩（kN-m）T3刀盤外圍的摩擦阻力的扭矩（kN-m）T4刀盤攪拌的排出阻力的扭矩（kN-m）T5刀盤密封的摩擦的扭矩（kN-m）T6機械摩擦阻力的扭矩（kN-m）二、刀盤及驅(qū)動載荷分析裝備旋轉(zhuǎn)扭矩 （kN-m）式中：T0 裝備旋轉(zhuǎn)

9、扭矩Nm刀盤轉(zhuǎn)動用馬達臺數(shù)， （臺）Tm常用時刀盤旋轉(zhuǎn)用馬達扭矩， （N-m）i減速比二、刀盤及驅(qū)動載荷分析主驅(qū)動中，大小齒輪的強度的校核。接觸強度和彎曲疲勞強度二、刀盤及驅(qū)動載荷分析 齒面接觸疲勞強度計算2.6 直齒圓柱齒輪傳動的強度計算1、原始計算公式二、刀盤及驅(qū)動載荷分析 強度條件設(shè)計公式 由兩式可見：齒輪傳動的接觸疲勞強度取決于齒輪的直徑（和中心距）。模數(shù)大小需由彎曲疲勞強度確定。3二、刀盤及驅(qū)動載荷分析 齒根彎曲疲勞強度計算 斜齒圓柱齒輪齒根彎曲疲勞強度的校核公式為二、刀盤及驅(qū)動載荷分析 斜齒圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度得校核公式和設(shè)計公式：3 彈性系數(shù)ZE 節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH 二、刀

10、盤及驅(qū)動載荷分析三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機3.1 選型 盾構(gòu)類型與顆粒級配的關(guān)系 一般來說，細顆粒含量多，碴土易形成不透水的塑流體，容易充滿土倉，在土倉中可以建立壓力，平衡開挖面的土體。粗顆粒含量高的碴土塑流性差，實現(xiàn)土壓平衡困難。 盾構(gòu)類型與顆粒級配的關(guān)系圖 卵石 砂礫 粗砂 細砂 淤泥 粘土 三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機盾構(gòu)類型與滲透性的關(guān)系 地層滲透系數(shù)對于盾構(gòu)的選型是一個很重要的因素。根據(jù)施工經(jīng)驗，當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)小于10-7m/s時，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在10-7m/s和10-4m/s之間時，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-4

11、m/s時，宜選用泥水盾構(gòu) 。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機盾構(gòu)類型與滲透性的關(guān)系圖三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機14號線試驗段地質(zhì)斷面圖三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機3.1 選型-地質(zhì)分析北京地鐵14號線試驗段主要通過粉土、粉質(zhì)粘土、粉細砂，隧道區(qū)間細顆粒較多，通過渣土改良系統(tǒng)，渣土可形成很好的流塑體，隧道上部為上層滯水，下部位潛水，隧道基本處于無水或少水狀態(tài)，結(jié)合日立造船大盾構(gòu)制造及使用經(jīng)驗，同時，考慮環(huán)境、使用采購成本等因素，北京地鐵14號線試驗段適合采用土壓平衡盾構(gòu)機。3.1 選型-地質(zhì)分析三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機3.2 剛度及強度分析三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機 土壓平衡盾構(gòu)機特點刀盤設(shè)

12、計三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機安裝刀具，土體流動要求刀盤結(jié)構(gòu)滿足：剛度、強度要求。力學(xué)要求： 力平衡 FX=0, FY=0, FZ=F 力矩平衡 MX=0, MY=0, MZ=M,應(yīng)力和應(yīng)變圖三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機采用有限元分析方法，實現(xiàn)刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機 10.22m 土壓平衡盾構(gòu)機三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機3.3 方案盾構(gòu)機總體設(shè)計開挖直徑： 10260 mm盾殼直徑： 10220 mm最大掘進速度： 8.5 cm/min主機長度： 11.5 mm（含刀盤）總長度包括后配套： m 最小曲線半徑： 250 m三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動驅(qū)動形式變頻

13、電驅(qū)動 ，無級調(diào)速式裝機功率： 18*90 = 1620kw 功率預(yù)留: 2*90=180kw刀盤轉(zhuǎn)速高速轉(zhuǎn)動：0.45 rpm 低速轉(zhuǎn)動： rpm刀盤扭矩最大 ：34,344 KNm 高速轉(zhuǎn)動：22,751 KNm 扭矩系數(shù) 三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機盾構(gòu)機千斤頂總推力 108,000 kN 單位面積推力 1317 kN / 數(shù)量 3,000 kN 36根最大伸長速度 8.5 cm/min鉸接裝置總推力84,000 kN 數(shù)量 3,000 kN28根鉸接操作 上下、左右、傾斜方向三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機螺旋出渣機驅(qū)動 驅(qū)動形式液壓驅(qū)動方式 螺旋機形式 軸式 裝備動力 90 kW3 排土

14、量 800 m3/h 直徑 1200 mm 轉(zhuǎn)速 0 15 rpm 驅(qū)動扭矩 230 kN-m三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機管片拼裝裝置形式 型方式 操作方式無線遙控操作 轉(zhuǎn)動速度高速： 低速：控制形式 無線遙控 + 線控 調(diào)節(jié) 可實現(xiàn)微調(diào)、微動操作三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機雙環(huán)+12輻條刀盤結(jié)構(gòu)圓柱型輻條，利于渣土順利進入土倉。刀盤采用輻條式，開口率達65%，可有效防止泥餅的形成。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機采用大尺寸耐磨刀具，增加刀具使用壽命。刮刀采用雙刃結(jié)構(gòu)，增強反向耐磨性。刀具易磨損處堆焊耐磨材料，保證刀體耐磨性。合理進行刀差設(shè)計，增強刀具整體耐磨性。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機刀盤輻

15、條表面、輻條間進土槽、刀盤支撐環(huán)、攪拌棒均進行耐磨堆焊處理。刀盤焊接周邊刀及刀盤外周保護刀，增強刀盤外周耐磨性。刀盤輻條的合理位置布置6個添加劑注入口（與中心回轉(zhuǎn)接頭管路一一對應(yīng)），滿足渣土改良的需要。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動刀盤采用變頻電機驅(qū)動，驅(qū)動效率高。配置18臺90kW變頻電機，驅(qū)動扭矩可達34344kN-m（恒扭矩狀態(tài)），并預(yù)留2臺電機安裝位置，便于功率擴展。采用直徑為6m的三排圓柱滾子軸承，軸承使用壽命更長。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機主軸承采用4條唇型密封一道，3道V型密封，可承受靜壓，動壓。采用浸脂式潤滑，結(jié)構(gòu)簡單。刀盤支撐采用受力均勻的中間支撐。驅(qū)動扭腿所在環(huán)相對

16、刀盤中心旋轉(zhuǎn)，可有效防止泥餅形成。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機鉸接系統(tǒng)采用前置鉸接，轉(zhuǎn)彎更靈活。可實現(xiàn)8個方向轉(zhuǎn)彎。可實現(xiàn)250m的曲線轉(zhuǎn)彎半徑。鉸接系統(tǒng)推力大（總推力84000kN）。鉸接密封采用一道防塵密封，兩道V型密封，可承受水土壓力。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機采用1200mm大內(nèi)徑螺旋輸送機，可輸出420mm或420mm 720mm的渣石。配置雙閘門（前閘門及出土閘門）。具備伸縮功能。采用雙前筒體結(jié)構(gòu)對螺旋輸送機葉片、內(nèi)筒進行耐磨處理。預(yù)留螺旋出渣器接口。螺旋輸送機三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機其他特點配備單雙液同步注漿系統(tǒng)，并具有自動清洗功能。同步注漿率在200%以上。人閘系統(tǒng)空氣調(diào)節(jié)裝置為全氣動控制，避免電力傷害或無電動力時的操作局限性。配置大能力添加劑注入系統(tǒng)，可實現(xiàn)泡沫、膨潤土、水等添加劑的單獨注入與混合注入。三、設(shè)計實例-土壓平衡盾構(gòu)機刀盤中心處配置攪拌裝置，加速土倉中心處土體的攪拌，改善土體流塑性，防止土倉中心形成泥餅。拼裝機具有微調(diào)微動功能，實現(xiàn)高精度拼裝。配置整圓器，提高管片拼裝的合格率。管片輸送系統(tǒng)采用上下雙梁結(jié)構(gòu)，無斜坡設(shè)計，更為安全可靠